固定波长激光直接吸收方法同时测量高温CO气体的温度与浓度

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)需要在整个谱线上扫描导致扫描过程中可能存在其他谱线干扰以及测量速度较慢的问题,提出了固定波长激光直接吸收测量方法。该方法采用固定波长下的直接吸收计算气体浓度,完全避免了谱线干扰的问题,并且提高了测量速度,尤其适合于动态燃烧化学反应的研究。通过在气体吸收池中对不同工况下的CO气体的温度以及浓度进行了测量,验证了方法的准确性,说明这种固定波长激光直接吸收测量方法同TDLAS方法一样可以应用于气体浓度和温度的测量。     

固体火箭发动机羽流流速TDLAS测量方法研究

针对现有对固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的羽流流速测量方法的不足，提出了将可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术应用于羽流流速的测量方法，通过测量燃烧产物中H₂O分子位于1 392 nm处的单根吸收谱线特征，根据多普勒效应建立的光谱频移和分子速度之间的关系来获得气流流速，解决了接触式测量方法会干扰羽流场和传统非接触式测量中示踪粒子不均匀的问题，并且取得了有效试验数据，通过对试验数据进行分析处理，得到了发动机的羽流流速。     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究（英文）

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO2谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO2浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5atm压力、500K温度下和10atm压力、1 000K温度下对于CO2浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO2直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

基于双光路吸收光谱技术的气液两相爆轰燃气诊断技术研究

对爆轰燃气准确有效地检测可以为探索爆轰形成机理以及提升爆轰发动机工作效率提供数据支撑。提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术结合双光路互相关算法的气液两相爆轰燃气速度、温度和组份浓度同时在线测量方法,针对口径80mm无阀式脉冲爆轰发动机设计并搭建了双光路光学测试系统,通过50kHz高频扫描1 343nm波段H2O吸收谱线完成对爆轰燃气速度、温度及H2O气体浓度的在线诊断。测试结果表明光学测试系统可以实现对瞬态爆轰过程燃气变化特征的细致分析,单个爆轰过程持续时间为85ms,爆轰循环过程中爆轰波速度最高达到1 172m·s-1,爆轰燃气最高温度达到2 412K,爆轰燃气中H2O气体浓度维持在0~7%之间;爆轰过程中出现了短暂的速度平台与温度平台。     

脉宽对超快激光平衡光学互相关测距影响的研究

采用基于平衡光学互相关的超快激光绝对距离测量方法对大气中一段15m的空间距离进行了测量。仿真了不同脉冲宽度、不同光强损耗对平衡互相关信号的影响,理论分析表明脉宽展宽对平衡互相关信号影响较大。采用中心波长为1037nm、重复频率为260MHz的超快激光器光源,搭建了测距系统。实验验证了在脉宽分别为1.44ps、132fs时,对平衡互相关信号的影响,实验结果符合理论分析。研究了不同脉冲宽度对测量分辨力的影响,结果显示,采样时间为5ms,脉宽为1.44ps,测量分辨力不低于50μm;而当脉宽为132fs时,测量分辨力优于5μm。     

油水分散流超声互相关流速测量方法

针对水平管道中油水分散流流速测量问题,提出一种基于超声互相关的测量方法。通过在水平管道上间隔一定距离的上下游安装两对超声探头获取油水两相流流动过程中的随机波动信号,针对离散相和连续相之间的相对滑动,将互相关方法与漂移模型和运动波理论相结合,并考虑流速分布和含率分布对流速测量带来的影响,在连续相不同的情况下分别建立两相流总表观流速的测量模型,并采用油水两相流实际流动状态的实验数据计算模型参数。结果表明,测量模型对流型具有依赖性,漂移速度是离散相含率的函数。通过实验数据对模型进行验证,针对不同流型选取不同参数计算得到的总表观流速与实际流速能够较好吻合,相对误差在6.12%以内。     

电弧加热发动机羽流的非平衡态光谱诊断

电弧加热发动机是一种为航天器提供机动和控制推力的装置。为了研究电弧加热发动机的工作机理,本文讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法并设计了一套光谱诊断系统。在此系统上,以氩气为工作气体,设定氩气流量和电流,在模拟空间环境下对电弧加热发动机羽流进行了光谱诊断。利用采集到的光谱信号,分别用谱线的绝对强度法和波尔兹曼图法得到了羽流温度的径向分布。测量结果表明本文工况下羽流处在热力学非平衡态下。此外,本文还对测量进行了初步的误差分析。     

三探头单纤光导探针测量二维气泡速度的实验研究

1前言气液两相流广泛存在于动力、化工等工业过程中，到目前为止，人们已开发了大量的实验测定方法，用于研究气液两相流空泡份额等。但是对气泡速度的测量研究并不多，主要原因在于气泡速度测量的困难性。近几年人们尝试使用激光多普勒测速技术、颗粒轨迹测速技术等测量气泡速度，这些测量方法不仅系统复杂，而且还有相应的限制条件，适用范围有限。利用相关测速技术可以测量一维气泡速度，其原理是：设距离为L的上、下游两个测点的传感器在时间间隔T内测得的随机气泡信号为X（t）和Y（t），而且X（t）和Y（t）为平稳和各态遍历，则相关…     

可调谐半导体激光吸收光谱技术光信号相关法氨气浓度流速同时测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合光信号相关技术可以实现气体浓度和流速的同时在线测量.文章首先介绍了气体浓度与流速测量的基本原理,然后对在近红外通讯波段附近的NH3吸收谱线进行分析,并从中选取适合测量的同标谱线,并进行了相应的计算分析.在常温常压下内径为0.016 m长度为1 m的管道内,利用流最计配制出不同浓度以及不同流速的NH3和N2混合气体进行相关的试验.利用线宽为15 MHz,可连续调谐范围为1 cm-1的激光二极管对位于6 548.7 cm-1处的NH3吸收谱线进行快速扫描,采用直接吸收计算的方法测最得到实时气体吸收信号并计算出气体浓度.同时利用非介入式的光信号相关法,通过布置在管道上下游两个探测器探测到的NH3浓度信号问的相关性,计算得到NH3气体从上游到下游的渡越时间,进而计算出气体流速.计算得到的NH2气体浓度值和流速值与流昔计标定值之间相比,其相对误差分别在7%和10%之内.测量系统响应迅速,抗干扰能力强,测量结果重复性好,适用于恶劣的现场测量环境,具有很广的工业应用前景.     

大直径射流的放电特性及其等离子体参数和活性粒子分布的光谱诊断

大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、元素探测、材料处理等方面具有良好的应用前景。通常等离子体羽的直径较小,限制了其工作效率。针对于此,利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流,产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。光电测量结果表明,当外加电压峰值或氩气流量增加时,等离子体羽发光亮度增加。当电压峰值较低时,等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号,且上游光信号强度比下游的大。随着电压峰值增大,上下游等离子体羽的光信号强度都增大。当电压峰值较高时,上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。不论每个电压周期放电脉冲数目多少,上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。利用光谱仪采集了300～800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱,发现它们中均含有OH和N₂的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。其中,上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大,但OH和N₂的谱线强度比下游的小。利用谱线强度比对上、下游等离子体羽的电子密度进行了研究。结果表明,上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级,高于下游羽的电子密度（1013～1014 cm-3量级）。并且,上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加,随氩气流量的增加而增加。利用光化线强度法,研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。结果表明,氧原子浓度沿气流方向降低;对于一个等离子体羽,平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加,随氩气流量增加而增加。对于以上实验现象,利用气体放电的基本理论进行了定性解释。     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N2的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

光学信号互相关法烟气流速测量的研究

工业环境中的烟气流速测量是一个很重要的问题。研究了利用抗干扰能力强、能适应恶劣环境的非介入式的光学信号互相关技术测量烟气流速。利用光学传感器获取由烟气造成的光学闪烁信号,通过高性能数据采集卡进行数据采集和A/D转换,在计算机上编制软件,对由烟气造成的光学闪烁信号进行了互相关处理,求得了烟气流经上游和下游传感器的渡越时间,从而计算出了烟气流速值。通过风洞实验,比较了该方法与传统的皮托管法的测量结果,分析了流速反演方法存在的问题及解决方法。在此基础上获得了较为满意的结果。     

Calculation of the Ratio Between the Second and First Harmonic Signals in Wavelength-Modulation Spectroscopy for Absorption Measurement

The dependence of the ratio between the second and first harmonic signals in wavelength-modulation spectroscopy is calculated for the precise absorption measurement that is applied to gas sensing. In the calculation, the amplitude modulation of the laser is considered as well as the frequency modulation. First, the dependence of signals on peak optical depth is discussed for the Lorentzian and Gaussian lines. Next, the dependence of signals on gas concentration is calculated in a weak absorption-limit. Finally, a numerical example is explained taking into consideration both peak optical depth and gas concentration.     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。     

差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究

差分吸收光谱(DOAS)技术在大气/烟气污染物排放环境监测中有广泛的应用.文章首先对这种方法进行了介绍和分析,通过公式推导出被测量气体的差分吸收光谱和参考差分吸收截面光谱所包含的面积具有线性关系,并由此给出了一种新的气体浓度计算方法,即直接用差分吸收面积拟合法代替最小二乘方法,从而避免了光谱不同分辨率、光谱漂移、拉伸或压缩等因素对测量结果造成的误差,同时这种方法具有计算量小和处理速度快等特点.最后,在自行研制的烟气DOAS测量系统上测量了四种浓度的SO2标准气体,实验结果验证了该方法在实验室条件下的有效性.